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HF-Strahler für Diathermie- und Therapiezwecke
Die Erfindung betrifft einen HF-Strahler mit Hohlraumresonator und einen durch ein Ankoppelelement angeregten Hohlraumleiter, der an der einen Stirnseite eine Blende mit kapazitiv und induktiv belastenden Querschnittsverengungen besitzt.
Es ist bereits ein HF-Strahler mit Hohlraumresonanz vorgeschlagen worden, der einen durch ein Ankoppelelement angeregten Hohlraumleiter aufweist. Der Hohlraumleiter besitzt an der Stirnseite eine Blende, die einen Schlitz hat, der sich quer zu den Oberflächenströmen im Resonator erstreckt. Das quer zu dem Schlitz stehende Wechselfeld regt die äussere Umgebung zu Schwingungen an, d. h. der Schlitz strahlt die gewünschte Energie ab. Durch einen sich in der Mitte verengenden Spalt entsteht eine kapazitive Belastungsimpedanz, deren Strahlungsfeld in kurzem Abstand eine gleichmässige Energieverteilung herbeiführt.
Ausser der kapazitiven kann auch eine durch das Magnetfeld, welches den an der Innenseite dei Reso- natorwände verlaufenden Oberflächenströmen entspricht, bedingte induktive Belastungsimpedanz zum in die Umgebung austretenden Strahlungsfeld beitragen. Dies könnte konstruktiv dadurch erreicht werden, dass Teile der Resonatorwand bis auf einzelne Stege entfernt werden, die in Richtung der ursprünglichen Oberflächenströme liegen. Über sie würde zusätzlich der Strom fliessen, der vorher durch die ausgesparten Wandflächen verlief.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen dem interessierenden Frequenzband von z. B. 2400 bis 2450 MHz angepassten HF-Strahler unter Berücksichtigung der mit den Körperteilen verknüpften unterschiedlichen Absorptionseigenschaften, die einer unterschiedlichen Lastankopplung an den Strahler gleichzusetzen sind, zu schaffen.
Der erfindungsgemässe HF-Strahler besitzt als wesentliches Merkmal in der Blende einen in der Y-
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einkum hineinragt und die Art der Ankopplung bestimmt.
Mit dem HF-Strahler, der in seinen Abmessungen kleiner gehalten werden kann, als es der verwen- teten Wellenlänge entsprechen würde, können bei sehr guter Anpassung über einen grösseren Frequenzbereich relativ kleine Körperflächen wirkungsvoll bestrahlt werden.
An Hand der Figuren der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1a ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen HF-Strahlers in Draufsicht, Fig. lb ein Koordinatenschema, Fig. 2 eine Blendenform, Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der Blendenform, Fig. 4 ein Ausführungsbeisptel. des HFStrahlers im Querschnitt, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 in Draufsicht und die Fig. 6-9 weitere Blendenformen.
Zwischen dem bei 1 anzuschliessenden Energiezuführungskabel und dem eigentlichen Abstrahlelement
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wellenenergie einDurchgangselement dar und hat als solches auf die breitbandige Anpassung der Gesamtanordnung entscheidenden Einfluss. wie noch näher erläutert wird. Konstruktiv dient der Hohlraumresonator 3 zur Befestigung des Kabelsteckers 1, des Abstrahlelementes 2, z. B. einer Schlitzblende, und der dielektrischen Abdeckplatte 4 (Fig. 4) für die Schlitzblende.
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Ein hinreichender Energiedurchgang, d. h. ein angepasstes Durchgangselement, wird für den Resonator
3 nur dann erreicht, wenn sich die Resonanzfrequenz der Gesamtanordnung in der Nähe der Betriebsfre- quenz befindet und diese innerhalb der Bandbreite des Strahlers liegt. Eine hinreichende Breitbandigkeit wiederum wird durch entsprechende Ausbildung der Ankopplung und der Abstrahlelemente erzielt. Wenn der Resonator 3 möglichst klein gehalten werden soll, empfiehlt sich die Verwendung eines quaderförmi- gen Hohlraums, z. B. ein Stück eines Rechteckhohlleiters, wie in Fig. 1a angedeutet. Ein solcher Resonator ist bei gleicher Resonanzfrequenz kleiner als etwa ein zylindrischer Resonanzkreis.
Von den in einem quaderförmigen Raum möglichen Feldverteilungen ergibt die -Welle (bei Ver- tauschung der Seiten b und c, Ell0 -Welle, s. Fig. la) bei einer bestimmten Betriebsfrequenz die kleinsten geometrischen Abmessungen. Ein Raum, der in dieser Welle schwingt, weist längs der X-Richtung eine Halbperiode, längs der y-Richtung keine und längs der z-Richtung wiederum eine Halbperiode in der Feldstärkeverteilung auf, vgl. Fig. lb. Die Feldstärkekomponenten entsprechen hiebei bestimmten Beziehungen ; zum Verständnis der Erfindung braucht auf diese Beziehungen jedoch nicht näher eingegangen zu werden.
Die Anregung von Schwingungen in einem Resonanzraum durch einen koaxialen Kabelanschluss kann bekanntlich mittels einer Schleife oder eines Stiftes erfolgen. Während die Nebenkapazitäten einer Schleife'meist so gering sind, dass die induktive Kopplung überwiegt, kann ein Stift je nach Länge und Stärke bevorzugt kapazitiv oder induktiv koppeln. Er stellt ersatzbildmässig einen Serienkreis dar. Durch die Längsströme kann eine Induktivität definiert werden. Die elektrischen Feldlinien vom Stift zu den umliegenden Resonatorwänden, besonders zur gegenüberliegenden Wand, erlauben die Definition einer Kapazität. Um den Hohlraum bei Stiftankopplung für die Betriebsfrequenz weiterhin in Resonanz zu halten, müssen allerdings im allgemeinen die Wände versetzt werden.
Bei vorwiegend kapazitiver Kopplung wird für eine konstante Resonanzfrequenz ein kleinerer Raum benötigt, bei induktiver Kopplung müssen die Wände parallel zur Stiftachse zur Erhaltung der Randwertbedingungen für die Feldverteilung nach aussen versetzt werden.
Für eine breitbandige Anpassung ist es vorteilhaft,'bere'its das Koppelelement Koaxialleitung/Reso- nanzraum so auszugestalten, dass es bei der Resonanzfrequenz des Raums auch für sich in Resonanz ist, d. h. der induktive und der kapazitive Anteil der Kopplung sind gleich gross. und der Koppelstift 5 stellt einen reellen Widerstand dar (Strahlungswiderstand). Damit wird nicht mehr die Resonanzfrequenz des Hohlraüms 3 durch eine Blindbelastung verschoben. Durch die Belastung des Hohlraums bei Resonanz mit dem reellen Verlustwiderstand des Ankopplungsserienkreises wird die Bandbreite der Gesamtanordnung erhöht.
Eine weitere Verbreiterung der Resonanzkurve tritt dadurch ein, dass bei Abweichungen der Frequenz vom Resonanzpunkt beim Serienkreis eine der Hohlraumresonanz entgegengesetzte Blindkomponente als Kreisbelastung in Erscheinung tritt. Der Hohlraum ist beim Schwingen in der H,-Welle und der Einkopplung mit Richtung des Koppelstiftes (verlängerter Koaxialinnenleiter) in der y-Richtung (Fig. la und lb) bezüglich des Kabelendes im Ersatzschaltbild impedanzmässig als Parallelkreis anzusehen, was in Fig. 3 angedeutet ist.
Hiebei bedeutet LH die Hohlrauminduktivität, definiert durch die Stromverteilung
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h.widerstand angenommen, der durch die Stromverluste im Stift und eventuell durch die dielektrischen Verluste in die StiftumhUllung gegeben ist.
Bisher wurde der Resonanzraum als Endbelastung eines Mikrowellengenerators betrachtet und es waren keine Abstrahlelemente vorgesehen. Wenn eine der beiden Wände parallel zur x-y-Ebene (Fig. lb) vollständig fehlt, wird die Mikrowellenenergie vom koaxialen Zuführungskabel in einen einseitig kurzgeschlossenen Rechteckhohlleiter übergekoppelt und verlässt diesen teilweise an seinem offenen Ende als Strahlung. Statt eines stehenden Wechselfeldes im Resonator wird der Hohlleiter nun von einer fortschrei- tenden Welle durchlaufen, die vom Koppelstift 5 angeregt wird. Der Feldlinienverlauf kann ebenfalls bestimmt werden. Während das pulsierende Wechselfeld im Hohlraumresonator jedoch örtlich stehenbleibt, stellen die Bilder für die fortschreitende Hohlleiterwelle gleichsam eine Momentaufnahme (einer Halbperiode in der z-Richtung) dar.
Diese Feldverteilung durchläuft den Hohlleiter mit einer bestimmten Phasengeschwindigkeit.
Um für die eingespeiste Energie im Übergang Koaxialleitung/Hohlleiter breitbandigen reflexionsarmen Durchgang zu ermöglichen, ist ausser der Stiftausbildung jetzt auch die Lage des Hohlleiterkurzschlusses zu beachten.
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Es empfiehlt sich, den Stift 5 in einen zylindrischen Block 6 aus verlustarmem Dielektrikum zu betten, der sich von der Ankopplungsseite 3'bis an die gegenüberliegende Hohlleiterwand 3"erstreckt (Fig. 4). Dadurch wird die Lage der Kurzschlusswand 2'unkritischer, der Übergang bleibt für ein grösseres Frequenzband reflexionsarm. Die optimale Entfernung der Kurzschlusswand 2'von der Stiftachse hängt bei
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empirisch ein Wert zu 0, 26-0, 32 a (Meinke, Taschenbuch S. 316) gefunden worden, wobei a die Breite des Hohlleiters darstellt (Fig. la). Dieser Wert verkleinert sich, wenn der Stift 5 von einem dielektrischen
Zylinder 6 eingehüllt wird.
Um die Kopplung in Resonanz zu halten, muss der Koppelstift 5 gegebenen- falls gekürzt werden oder die induktive Kopplung wtirde iiberwiegen. Für vorwiegend induktive Kopplung ist der Koppelstift 5 grösser zu wählen.
Die genaue Lage der Kurzschlusswand 2'wird für eine vorgegebene Koaxialleitung-Hohlleiter-Ver- bindung, bei der die Durchmesser der Koaxialleitung, der Querschnitt des Hohlleiters und die Frequenz gegeben sind, am zweckmässigsten vorher einmal empirisch ermittelt, da die Feldstreuungen an der Übergangsstelle rechnerisch vorher kaum erfasst werden können.
Da ein offener Hohlleiter bei einem HF-Strahler für Therapie- oder Diathermiezwecke im allgemei-
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einer Blende abgedeckt worden, so dass das Strahlungsdiagramm im Nahfeld hinreichend zusammenge-. zogen wird. Eine derartige Blende kann dabei eine leitende Fläche, z. B. aus Blech, mit entsprechender
Durchbrechung (ein oder mehrere Löcher, Schlitze od. dgl.) sein, deren Ausdehnung in Wellenfortschrei- tungsrichtung (z-Richtung) klein gegen lao/4 ist. Während beim offenen Hohlleiter das Leitungsende mit
Leerlauf, abgesehen vom Strahlungswiderstand, abgeschlossen ist, ergibt eine aufgesetzte Blende eine endliche im allgemeinen komplexe Impedanz. Dabei entspricht eine Verkürzung von elektrischen Feld- linien, vorzugsweise eine Querschnittsverengung in der y-Richtung, einer kapazitiven Belastung.
Bei Ver- grösserung des Leitungsstromantelles (Wandströme) gegenüber den in der Öffnungsfläche fliessenden Ver- schiebungsströmen stellt sich eine induktive Belastung durch die Blende ein, was vorzugsweise einer Querschnittsverengung in der x-Richtung entspricht. Wie bei der Ankopplung des Zuleitungskabels ist für die ausreichende Energieabstrahlung die Blende so auszubilden, dass sich bei der Betriebsfrequenz die kapazi- tive und induktive Wirkung gerade aufheben, die Blende also für sich in Resonanz ist. Der Hohlraum wird dann durch die Blende mit einem reellen Widerstand belastet (Strahlungswiderstand und minimale Wand- verluste im Blendenblech). Bei Blindbelastung durch die Blende können gegebenenfalls die geometrischen Abmessungen des Raums zur Erhaltung der Gesamtresonanz geändert werden.
Bei einer Betriebsfrequenz von z. B. 2400 MHz wird die geforderte kleine Bestrahlungsfläche von z. B.
30 x 30 mm ! durch eine sehr starke kapazitive Belastung in der Blendenmitte (enger Schlitz in x-Richtung) und lange Stromwege als Induktivitäten an den beiden Schlitzende in den Seitenpartien des Blendenbleches erreicht (Fig. 7 und 8).
Die Fig. 6-9 zeigen derartige H-Blenden, die auch ersatzmässig eine Parallelschaltung eines Serienund eines Parallelresonanzkreises darstellen, vgl. Fig. 2 und 3. RH und RK lassen sich in diesem Fall als Strahlungswiderstände durch die abgestrahlte Energie definieren. Wie vorher erläutert, ergeben Anordnungen, die impedanzmässig durch ein solches Ersatzschaltbild darzustellen sind, bei entsprechender Ausbildung der Einzelkreise über ein breiteres Frequenzband annähernd einen reellen Widerstand.
Ein H-Schlitz strahlt eine Welle ab, deren elektrische Feldlinien in der y-Richtung polarisiert sind.
Die abgestrahlte Energie erreicht ihren grössten Wert, wenn der Schlitz für sich in Resonanz ist. Entsprechend dem Babinet'schen Prinzip erzeugt die Aussparung in der Resonatorwand das gleiche elektrische Feld im freien Raum wie eine Antenne von der Form des Schlitzes, die, bei gleicher Anregung um 900 gegen die Schlitzstellung gedreht, in der Ebene des ursprünglichen Blendenbleches liegen würde. Danach verhält sich der vorliegende H-Schlitz bei der Betriebsfrequenz angenähert wie ein kapazitiv belasteter Hertz'.. scher Dipol.
Gemäss Fig. 4 bzw. 5 wird der HF-Strahler über einen Koaxialstecker 1 mit einem Koaxialkabel an das den Mikrowellengenerator enthaltende Diathermiegerät angeschlossen. Der Innenleiter 5'kann durch einen Gewindestab verlängert werden, der als Ankoppelstift 5 wirkt. Um die Anordnung breitbandiger zu gestalten, wird dieser Stab, wie erwähnt, mit einem zylindrischen Trolltulblock verschraubt. Der Resonator besteht aus Blech. Der Resonanzraum ist in seinem Querschnitt auf der Seite 2'kurzgeschlossen. während die andere Seite mit einer Blende 2 mit H-Schlitz abgedeckt ist. Zur elektrischen Verlängerung des Mindestabstandes Blende/Bestrahlungsfläche wird auf die Blende 2 ein Plexiglasblock 4 aufgesetzt, der gleichzeitig das Blendenblech gegen die Flanschflächen des Resonanzraums drückt.
Die Länge des Koppelstiftes 5, gemessen von der Resonatorwand aus, der Abstand der Achse des Koppelstiftes vom Resona-
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torkurzschluss 2'und die Dielektrikumsumhüllung 6 des Koppelst1ftes können in Abhängigkeit von den verschiedenen Grössen, die für. die breitbandige Anpassung von Bedeutung sind, etwas variiert werden, ohne dass die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemässen HF-Strahlers verlorengehen. Der Plexiglasblock 4 kann auch durch eine Abdeckplatte aus mehreren Plexiglasplatten ersetzt werden. Um das Strahlungsbündel im Nahfeld z. B. auf einen Querschnitt von 30 X 30 mm zu konzentrieren, ist eine Blen-
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formen unter gegebenen Umständen, z. B. etwas andern Konzentrationsforderungen, gut verwendbar.
Da der Strahler sowohl bei Bestrahlung (belastet) als auch im Leerlauf (unbelastet) hinreichend an den Mikrowellengenerator angepasst sein muss, ist eine günstige Einstellung dann erreicht, wenn für eine bestimmte Parameterkombination in beiden Fällen ein maximal zulässiger Reflexionsfaktor R a ; 40-45 %, d. h. S R ! 2, 3 - 2, 8 nicht überschritten wird. Erfahrungsgemäss kann bei überschlägigen Untersuchungen für diese Fälle Wasser als hinreichender Ersatz für biologisches Gewebe angenommen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. HF-Strahler mit Hohlraumresonator und einem durch einAl1koppelelement angeregten Hohlraumleiter, der an der einen Stirnseite eine Blende mit kapazitiv und induktiv belastenden Querschnittsverengungen besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Y-Richtung und in der X-Richtung H-forming gebildeter Schlitz vorgesehen und so bemessen ist, dass bei der Betriebsfrequenz die Blende in Resonanz ist, während das bei der Betriebsfrequenz ebenfalls in Resonanz befindliche Ankoppelelement ein einstellbarer Stift ist, der in einen Zylinder in Form eines sich von der Ankoppelseite bis zur gegenüberliegenden Hohlraumwand erstreckenden Blocks aus verlustarmem Dielektrikum hineinragt und die 11rr dcr Ankopplung bestimmt.